VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ ROZBOR POŽADAVKŮ PŘEDPISU CS-25 NA STOUPÁNÍ PO VZLETU A NA TRAŤ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ LETECKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AEROSPACE ENGINEERING

ROZBOR POŽADAVKŮ PŘEDPISU STOUPÁNÍ PO VZLETU A NA TRAŤ

CS-25

ANALYSIS OF THE CS-25 REQUIREMENTS ON THE TAKE-OFF AND EN-ROUTE CLIMB.

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS

AUTOR PRÁCE

PŘEMYSL POLÁŠ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2008

Doc. Ing. VLADIMÍR DANĚK, CSc

NA

VUT FSI

Rozbor požadavků předpisu CS-25 na stoupání po vzletu a na trať

2

Přemysl Poláš

VUT FSI


3

Přemysl Poláš

VUT FSI


Přemysl Poláš

ANOTACE Závěrečná bakalářská práce zpracovává požadavky předpisu CS-25 na stoupání po vzletu a na trať pro letouny výkonnostní kategorie A. Definuje a blíže rozebírá výkony ve stoupání, popisuje jednotlivé segmenty trajektorie a jejich charakteristiky. Dále rozebírá vliv provozních podmínek na ni. Vše je názorně vysvětleno na přiložených ilustracích, grafech a tabulkách. Klíčová slova CS-25, stoupání, trajektorie po vzletu, provozní podmínky, stoupání na trať.

ANNOTATION The final bachelor´s thesis processes the CS-25 requirements on take-off path and en-route climb relating to A type-performence aircraft. It specifies this part of a flight, describes and characterizes its segments. Then it analyses the influence of operating conditions. And all is explained throught added illustrations, pictures, charts and tables. Keywords CS-25, limb, take-off path, operating conditions, en-route climb

4

VUT FSI


Přemysl Poláš

Bibliografická citace

POLÁŠ, P. Rozbor požadavků předpisu CS-25 na stoupání po vzletu a na trať. Brno, 2008. 47 s. Bakalářská práce na Fakultě strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně, Leteckého ústavu. Vedoucí bakalářské práce Doc. Ing. Vladimír Daněk, CSc.

5

VUT FSI


Přemysl Poláš

Čestné prohlášení:

Prohlašuji, že jsem byl seznámen s předpisy pro vypracování bakalářské práce, a že jsem celou bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury pod vedením vedoucího bakalářské práce doc. Ing. Vladimíra Daňka, CSc. V Brně dne: 23.5.2008

Přemysl Poláš

6

VUT FSI


Přemysl Poláš

Poděkování: Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu bakalářské práce panu doc. Ing. Vladimíru Daňkovi, CSc. za odborný dohled, připomínky a pomoc při zpracování mé bakalářské práce.

7

VUT FSI


Přemysl Poláš

OBSAH 1. ÚVOD ............................................................................................................................. 10 2. PODKLADY, POJMY, DEFINICE................................................................................ 11 2.1 Legislativa a předpisové báze, EASA, CS-25, výkonnostní třídy letounu ............ 11 2.1.1 Chicagská úmluva o mezinárodním civilním letectví ................................... 11 2.1.2 Mezinárodní organizace pro civilní letectví ICAO ....................................... 11 2.1.3 JAA (John Aviation Aouthorities) ................................................................ 11 2.1.4 Evropská agentura pro bezpečnost letectví (EASA) ..................................... 11 2.2 Definice úseku stoupání po vzletu a na trať ........................................................... 13 3. STOUPÁNÍ, ZÁKLADNÍ ROZBOR .......................................................................... 14 3.1 Síly působící na letoun při stoupání ....................................................................... 14 3.1.1 Potřebný tah a výkon ..................................................................................... 15 3.1.2 Vliv proměnných veličin na potřebný tah a výkon ....................................... 16 3.2 Stoupací rychlost .................................................................................................... 17 3.3 Úhel stoupání, podélný sklon dráhy letu................................................................ 18 3.4 Princip určení maximálních hodnot stoupací rychlosti a úhlu stoupání................. 18 3.5 Gradient stoupání ................................................................................................... 19 3.6 Vliv proměnných veličin a provozních podmínek na stoupání.............................. 20 3.6.1 Hmotnost ............................................................................................................. 20 3.6.2 Konfigurace letounu............................................................................................ 21 3.6.3 Vliv změny teploty a výšky na hustotu vzduchu................................................. 22 3.6.4 Zrychlení při stoupání ......................................................................................... 22 3.6.5 Vítr ...................................................................................................................... 22 3.6.6 Znečištění povrchu letounu ................................................................................. 22 4. TRAJEKTORIE PO VZLETU........................................................................................ 23 4.1 Úsek stoupání, rozdělení do segmentů................................................................... 23 4.2 Minimální gradient stoupání .................................................................................. 24 4.3 Stoupání se všemi pracujícími motory ................................................................... 25 4.4 Postupy pro snížení hluku ...................................................................................... 25 4.5 Čistá trajektorie po vzletu ...................................................................................... 27 4.6 Provádění zatáček na trajektorii po vzletu ............................................................. 29 4.7 Analýza trajektorie po vzletu ................................................................................. 30 4.8 Průběh trajektorie po vzletu ................................................................................... 31 5. STOUPÁNÍ DO CESTOVNÍ VÝŠKY........................................................................... 37 5.1 Plánování stoupání ....................................................................................................... 37 5.1.1 Provozní stoupání do cestovní výšky ........................................................................ 38 5.1.2 Vztah mezi rychlosti a Machovým číslem při stoupání ............................................ 38 5.2 Stoupání s jedním nepracujícím motorem.................................................................... 39 5.3 Zlepšení výkonu při stoupání po vzletu ....................................................................... 39

8

VUT FSI


Přemysl Poláš

6. ZÁVĚR............................................................................................................................ 41 7. LITERATURA................................................................................................................ 42 8. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ..................................................... 43

9

VUT FSI

1.


Přemysl Poláš

ÚVOD

Cílem této bakalářské práce je srozumitelně rozebrat složitý výklad předpisu CS-25 na stoupání po vzletu a na trať a následně objasnit jeho požadavky na certifikaci velkých dopravních letounů výkonnostní třídy A, určené pro leteckou obchodní dopravu. Na úvod je stručně rozebraná předpisová báze, letouny jsou rozděleny do jednotlivých výkonnostních tříd a je přesně definovaná část letu, kterou se tato práce zabývá. V další části bylo nutné pro snadnější pochopení požadavků předpisu obecně definovat režim stoupavého letu a jeho jednotlivé pojmy a charakteristiky. Těchto poznatků je v následujících oddílech použito k definování jednotlivých požadavků předpisu na úsek trajektorie po vzletu a stoupání na trať, který je postupně rozebrán ve všech svých částech. Celá práce je doplněna obrázky, grafy a ilustracemi přispívajícími k pochopení problému.

10

VUT FSI

2.


Přemysl Poláš

PODKLADY, POJMY, DEFINICE

2.1 Legislativa a předpisová báze, EASA, CS-25, výkonnostní třídy letounu Prudkým rozvojem letectví během II. Světové války vyvstala potřeba přijetí nových pravidel, které by zabezpečily plynulý rozvoj letecké dopravy. Pařížská úmluva, která nabyla platnosti roku 1944, nestačila pokrýt potřeby rozvíjejícího se letectví. Z tohoto důvodu byla roku 1944 svolána Chicagská konference, která dala základ vzniku novodobého letectví, které známe dnes. 2.1.1 Chicagská úmluva o mezinárodním civilním letectví Rozhodujícími prvky Úmluvy byly: zásada suverenity vzdušného prostoru nad daným státem a pravidla týkající se provozu v civilním letectví. Pravidla se skládají ze dvou částí a to Letový provoz a z druhé částí, která dala vznik Mezinárodní organizaci pro civilní letectví. 2.1.2

Mezinárodní organizace pro civilní letectví ICAO (International Civil Aviation Organization)

Organizace je přidružena k OSN. Cílem ICAO je vytvořit mezinárodní normy a pravidla letecké dopravy a tím zajistit snadnou a bezpečnou leteckou dopravu mezi státy. V současnosti má 188 členských států a existuje 18 příloh (annexů) k Chicagské úmluvě zpracované touto organizací. 2.1.3 JAA (Joint Aviation Authorities) JAA je další leteckou autoritou sdružující letecké úřady jednotlivých států, které uzavřely dohodu o vzájemné spolupráci při zavádění a úpravách společných leteckých předpisů a postupů v civilním letectví. Tyto předpisy nesou zkratku JAR (Joint Aviation Requirements). Předpisy vycházejí z příloh ICAO a podrobně specifikují jejich požadavky týkající se výroby, oprav a provozu letadel, výcviku a zdravotní způsobilosti posádek. 2.1.4 Evropská agentura pro bezpečnost letectví (EASA) EASA byla zřízena Evropskou unií dne 28. září 2003 a plní regulační a výkonné úkoly týkající se oblasti letového provozu. Výkonné úkoly se vztahují k bezpečnosti letectví např. certifikace leteckých výrobků a osvědčování leteckých organizací, které je navrhují, vyrábějí a vykonávají jejich údržbu. Podklady pro předpisy vydávané touto organizací tvoří předpisy JAR. Z hlediska potřeby této práce, kromě obecně platné legislativy, jsou nejdůležitější předpisy vydávané organizacemi JAA a EASA. Tyto předpisy se týkají rozborů letových výkonů a dělí se na dvě legislativní báze: 1. Požadavky na letovou způsobilost (certifikačni standardy), 2. Provozní předpisy a směrnice. 1. Požadavky na letovou způsobilost (certifikační standardy) Předpisy se zabývají certifikací letounu, jejich letovou způsobilostí platnou v Evropské unii. Nazývají se CS-23 a CS-25. Tyto předpisy jsou vydávány organizací EASA a vycházejí z předpisů řady JAR (JAR-23 a JAR-25). CS-23 a CS-25 obsahují seznam požadavků a certifikačních procedur, kterými letoun požadující schválení musí projít.

11

VUT FSI


Přemysl Poláš

Předpis CS-23: je platný pro malé letouny do 5700 kg s počtem sedadel pro cestující ne větším jak 9 a pro letouny pro sběrnou dopravu (Commuter). Předpis CS-25: jejímž rozborem se zabývá tato práce je platný pro velké letouny určené zejména pro leteckou dopravu. V dnešní době to jsou letouny výkonnostní třídy A. 2. Provozní předpisy a směrnice Jedná se o předpis JAR OPS 1 zabývající se provozními postupy a pravidly. Z JAR OPS 1 vychází předpis organizace EASA EU-OPS. JAR OPS 1 a EU-OPS rozdělují letouny z hlediska jejich výkonů do 3 výkonnostních kategorii (A, B, C): Letouny třídy výkonnosti A Mezi letouny výkonnostní třídy A náleží všechny vícemotorové letouny opatřeny proudovými motory a vícemotorové letouny opatřeny turbovrtulovými pohonnými jednotkami, jejichž vzletová hmotnost přesahuje 5700 kg a s počtem sedadel pro více jak 9 cestujících. Z hlediska provozního: Letoun se dvěma motory musí být schopen po vysazení kritické pohonné jednotky kdekoli na trati pokračovat v letu na vhodné letiště, aniž by sestoupil pod požadovanou výšku. Letoun se třemi nebo více motory musí být schopen po vysazení dvou motorů kdekoli na trati pokračovat v letu na vhodné letiště, aniž sestoupí pod minimální letovou výšku. Letoun musí být schopen po vysazení jednoho motorů za očekávaných meteorologických podmínek: - dodržet kladný gradient čisté dráhy letu ve výšce alespoň 1 000 ft nad terén a překážkami ve vzdálenosti 5 NM na obě strany od zamyšlené trati a nebo - pokračovat v letu z cestovní hladiny na letiště, kde bude schopen přistát. Dráha letu musí vést alespoň 2 000 ft nad terénem a překážkami ve vzdálenosti 5 NM od zamyšlené trati. Letoun třídy výkonnosti B Do této výkonnostní třídy náleží letouny s vrtulovým pohonem (pístový a turbohřídelový) s hmotností nepřevyšující 5700 kg a s počtem cestujících nepřesahujících 9 osob. Výjimkou jsou tzv. letouny pro sběrnou dopravu (commuter), u kterých je maximální vzletová hmotnost zvýšena na 8618 kg a počet sedadel pro cestující na 19. Jejich certifikací se zabývá předpis CS-23. Letouny třídy výkonnosti C Do této třídy patří letouny s vrtulovými pohonnými jednotkami, s pístovými motory, jejichž vzletová hmotnost je větší než 5700 kg a počet cestujících vyšších než 9. Jedná se zejména o většinu dosluhujících velkých vrtulových dopravních letounů, proto se jimi dále zabývat nebudu. Pro přehlednost je zde uvedena tabulka (tab. 1), kde jsou letouny rozděleny do jednotlivých tříd z hlediska počtu a typu pohonných jednotek, maximální vzletové hmotnosti a počtu sedadel pro cestující.

12

VUT FSI


Přemysl Poláš

Tab. 1: Třídy výkonnosti.

B

A DRUH POHONU POČET MOTORŮ MAXIMÁLNÍ VZLETOVÁ HMOTNOST

proudový

NORMAL vrtulový pístový iM = 1 nebo více

turbovrtulový

iM ≥ 2 libovolná

POČET SEDADEL PRO libovolná CESTUJÍCÍ

m0 f 5700kg NEBO iC f 9

m0 ≤ 5700kg iC ≤ 9

COMMUTER turbovrtulový

iM = 2 m0 ≤ 8618kg iC ≤ 19

C vrtulový pístový iM = 1 nebo více

m0 f 5700kg NEBO iC f 9

2.2 Definice úseku stoupání po vzletu a na trať Jak již bylo uvedeno, předpis CS-25 je vydáván organizací EASA a slouží k certifikaci letounu, tím že specifikuje jednotlivé certifikační standardy pro všechny fáze letu, které jsou platné pro letouny výkonnostní třídy A. Zbývá definovat tu část letu, kterou se má zabývat tato práce. Trajektorie stoupání po vzletu Trajektorie stoupaní po vzletu začíná pro letouny výkonnostní třídy A ve smluvní výšce 35 ft (11 m) nad povrchem vzletu po dosažení rychlosti V2 a končí ve výšce 1500 ft (457 m) nad povrchem vzletu. Trajektorie stoupaní po vzletu je dělena na čtyři segmenty a je posledním úsekem úplného vzletu, který je pro úplnost definován následovně. Úplný vzlet je trajektorie probíhající od místa zahájení rozjezdu až do bodu, kdy je letoun ve výšce 1500 ft (457 m) nad místem vzletu, nebo do bodu ve kterém je dokončen přechod ze vzletové konfigurace na traťovou a přitom je dosaženo finální rychlosti pro stoupání do cestovní hladiny. Smluvní výška je výška překážky a je dána předpisy. Pro dopravní letouny je výška překážky hP = 35 ft. Stoupání na trať je potom analogicky úsek navazující na úsek stoupání po vzletu až do cestovní hladiny.

13

VUT FSI

3.


Přemysl Poláš

STOUPÁNÍ, ZÁKLADNI ROZBOR

Jelikož úsek stoupání po vzletu a na trať je společně s požadavky na stoupání v přibližovací a přistávací konfiguraci a v cestovním režimu řazen z hlediska certifikačních procedur mezi požadavky na výkony při stoupání, pak je vhodné začít obecnější definici stoupavého letu (úhel a rychlost stoupání, gradienty stoupání atd.). Ze znalosti těchto definic vycházejí požadavky předpisu CS-25 na stoupání po vzletu a na trať. Stoupavý let Stoupavý let je režim letu, při kterém letoun zvyšuje svojí výšku tzn. zvětšuje svoji potenciální energii. Stoupavý let může být křivočarý nebo přímočarý a ustálený nebo neustálený. U neustáleného letu se s měnící rychlostí zároveň mění i kinetická energie. Z pohledu rozboru letových výkonů nás nejvíce zajímá přímočarý ustálený symetrický let bez vybočení. Za stoupavý let je tedy nadále považován symetrický přímočarý let bez vybočení ve vertikální rovině s konstantní rychlostí tzn. s nulovým zrychlením. Podélný sklon letounu je kladný tzn. kladný úhel stoupání.

Obr.1 Síly působící na letoun při stoupání.

3.1

Síly působící na letoun při stoupání

Pro takto definovaný stoupavý let obecné pohybové rovnice degradují na rovnice rovnováhy, které mají tvar:

F cos(α + ϕ F ) − D − G sin γ = 0, − F sin(α + ϕ F ) − L + G cos γ = 0. 14

(1) (2)

VUT FSI


Přemysl Poláš

Uvážíme-li předpoklad, že úhel náběhu α je velmi malý, pak směr tahu se blíží odporové ose xa. Pohybovou rovnici lze potom psát v jednodušším tvaru a to: F − D − G ⋅ sin γ = 0, − L + G ⋅ cos γ = 0. Síly působící na letoun při stoupání jsou znázorněny na obr. 1.

(3) (4)

3.1.1 Potřebný tah a výkon Nyní si popíšeme základní veličiny z hlediska letových výkonů (minimální potřebný tah a výkon), z jejichž pomocí si definujeme veličiny charakterizující režim stoupavého letu (stoupací rychlost, úhel stoupání a jejich maximální hodnoty). Potřebný tah K jeho určení vycházíme z rovnosti platné pro vodorovný přímočarý ustálený let. U tohoto režimu letu platí rovnost tahu a odporu. Tento tah, potřebný pro překonávání odporu v horizontálním letu, je nazýván potřebným tahem. Potřebný tah je závislý zejména na rychlosti letu.

FP = D.

(5)

Závislost na rychlosti letu je vyjádřena vztahem: Fp =

CD ρV 2 2G 2 ρV 2 S = C D 0 S + . 2 2 πAeρSV 2

(6)

Potřebný tah lze vyjádřit v závislosti na součiniteli vztlaku vztahem:

Fp =

CD G. CL

(7)

Z uvedených vztahů vyplývá, že potřebný tah je v podstatě závislý na aerodynamickém tvaru letounu a jeho minimální hodnoty je dosaženo pokud je hodnota poměru CD/CL nejnižší (maximální klouzavost). Režim minimálního potřebného tahu bývá také nazýván režimem minimálního odporu. Potřebný výkon Potřebný výkon určíme vynásobením potřebného tahu Fp rychlostí letu v: Pp = F pV ,

Pp =

15

CD GV . CL

(8) (9)

VUT FSI


Přemysl Poláš

Závislost potřebného výkonu na rychlosti letu je daná vztahem:

Pp =

CD ρV 3 2G 2 SρV 3 = C D 0 S + . 2 πAeρSV 2

(10)

Z výše uvedených vztahů (6, 10) vyplývá, že potřebný tah i výkon je tvořen součtem dvou členů. Vezmeme-li si například tah, tak první člen představuje tah, potřebný k překonání škodlivého odporu a druhý člen reprezentuje tah, potřebný k překonání indukovaného odporu. Toto samozřejmě analogicky platí i pro potřebný výkon, jak je znázorněno na následujícím obrázku (obr. 2). Z obrázku také vyplývá, že indukovaný odpor s rychlostí klesá a škodlivý naopak narůstá.

Obr. 2 Závislostí potřebného tahu a výkonu na rychlosti letu.

3.1.2 Vliv proměnných veličin na potřebný tah a výkon S rostoucí výškou klesá hustota vzduchu, což má za následek dvě různé rychlosti pro dvě různé výšky i za předpokladu, že letoun letí při stejném součiniteli vztlaku (stejném úhlu náběhu). Jednoduše řečeno, pro let ve větší výšce, kde je hustota vzduchu nižší, je třeba letět vyšší rychlosti, má-li být splněna podmínka rovnosti vztlaku a tíhy letounu. Díky této skutečnosti a z výrazu pro potřebný tah vyplývá, že pro zachování horizontálního letu v různých výškách se potřebný tah nemění. Potřebný výkon, daný součinem potřebného výkonu a rychlosti letu, se právě proto mění v poměru k měnící se rychlosti letu. Z toho vyplývá, že změna potřebného výkonu s výškou se děje ve stejném poměru jako u rychlosti viz. obr. 3.

16

VUT FSI


Přemysl Poláš

Obr.3 Vliv změny výšky na potřebný tah a výkon. Nyní můžeme přejít ke konkrétním veličinám charakterizující stoupavý let

3.2

Stoupací rychlost

Stoupací rychlost je vertikální složkou rychlosti letu stoupajícího letounu viz. obr. 4. Horizontální i vertikální složku rychlosti (Vx a Vz) uvažujeme v normálové zemské ose v souřadnicové soustavě udávané letadlem.

Obr. 4 Stoupací rychlost a její složky. Pro další rozbor stoupavého letu je zavedená vedle pojmu vertikální rychlost (kladná ve smyslu dolů), myšlená alternativní stoupací rychlost Vz . Její kladná hodnota je svázána s kladnou hodnotou podélného sklonu letu. To znamená, že při stoupavém letu je kladná a to směrem vzhůru. Početně lze stoupací rychlost určit s rovnice (1), ze které po malé úpravě dostaneme jednoduchý vztah pro výpočet této rychlosti, Vz =

( F − D )V ΔFV ΔP . = = G G G

(11)

Stoupací rychlost lze tedy vyjádřit jako podíl přebytku výkonu ΔP a tíhové síly G. Z toho vyplývá, že maximální stoupavost je daná maximálním přebytkem tahu: 17

VUT FSI


V z ,max =

3.3

Přemysl Poláš

ΔPmax . G

(12)

Úhel stoupání, podélný sklon dráhy letu

Úhel stoupání lze rovněž určit ze stejné rovnice (1), po úpravě dostaneme: ⎛ ΔF ⎞ ⎛ ΔP ⎞ ⎟. ⎟ = arcsin ⎜ ⎝ G ⎠ ⎝ GV ⎠

γ = arcsin ⎜

(13)

Úhel stoupání je závislý na podílu přebytku tahu ΔF a tíhové síly G. Maximální strmost stoupání je proto daná maximálním přebytkem tahu podle vztahu: ⎛ ΔFmax ⎝ G

γ max = arcsin⎜

3.4

⎞ ⎟. ⎠

(14)

Princip určení maximálních hodnot stoupací rychlosti a úhlu stoupání

Nejdříve jsme si představili základní veličiny charakterizující stoupavý let, stoupací rychlost V z a úhel stoupání γ , které se mění s režimem letu. Z hlediska letových výkonů ve stoupavém letu jsou nejzajímavější právě extrémní hodnoty těchto kinematických veličin pro dané podmínky a konfiguraci letounu. Vhodnou metodou, jak nalézt právě tyto hodnoty, je jejich určení z diagramu potřebných a využitelných výkonů. Z nich můžeme pro danou hmotnost letounu a výšku letu jednoduše nalézt přebytky výkonů ΔP a určit stoupací rychlosti. Maximální stoupací rychlost se určuje pro bod odpovídající maximálnímu přebytku výkonu (viz. obr. 5), který si určíme z rovnice:

V z ,max =

ΔPmax . G

Obr. 5 Přebytky výkonů využitelných pro stoupání letounu.

18

(15)

VUT FSI


Přemysl Poláš

Mnohem výhodnější postup je překreslit si podíly výkonu a tíhy v závislosti na rychlosti letu pro několik výšek. Tento diagram uvedený na obrázku 6 představuje přímou závislost stoupacích rychlostí na rychlosti letu v daných výškách.

Obr. 6 Závislost stoupací rychlosti na rychlosti letu a výšce. Definice dvou základních režimů stoupání. Vrcholy křivek definují maximální stoupací rychlosti a zároveň lze odečíst rychlosti letu při maximální stoupací rychlosti. Režim maximální stoupavosti Spojnice vrcholů uvedených křivek vymezuje zároveň závislost rychlosti letu při maximální stoupavosti na výšce letu. Největší stoupavost je v nulové výšce a s rostoucí výškou klesá. Maximální strmost stoupání Jedná se o režim, při kterém je dosahován maximální podélný sklon dráhy letu. Na obr. 6 je určen dotykovým bodem tečny, která je vedená z počátku. Spojnice dotykových bodů představuje závislost odpovídající rychlosti letu nejstrmějšího stoupání na výšce letu. Strmost stoupání klesá s výškou letu. Sklon dráhy letu je dán vztahem: ⎛ ΔFmax ⎝ G

γ max = arcsin⎜

3.5

⎞ ⎟. ⎠

(16)

Gradient stoupání

Posledním pojmem je gradient stoupání γˆ , který je pro účely této práce nejdůležitějším parametrem. Předpisy jej upřednostňují před úhlem stoupání, používá se zejména při řešení úseku po vzletu a vyjadřuje zároveň strmost stoupání. Gradient stoupání představuje přírůstek výšky v procentech proletěné horizontální vzdálenosti během stoupání:

19

VUT FSI


γˆ = 100

dH dx

Přemysl Poláš

[%].

(17)

Z kinematiky víme, že lze určit gradient stoupání pomocí úhlu stoupání, resp. stoupací rychlosti:

γˆ = 100tgγ = 100

Vz [%] Vx

(18)

Vz můžeme rozepsat jako ΔFV a po dosazení do původní rovnice dostáváme: G

γˆ = 100

(F − D )V GVxg

⎛F C ⎞ ≅ 100⎜⎜ − D ⎟⎟ ⎝ G CL ⎠

[%] .

(19)

Tento vztah vyjadřuje závislost mezi gradientem stoupání, aerodynamickými veličinami a zatížením pohonné jednotky. Gradient stoupání je z hlediska certifikačních procedur velmi důležitým parametrem. Téměř veškeré požadavky na stoupání předpisu CS-25 jsou vyjádřeny právě pomoci tohoto pojmu.

3.6

Vliv proměnných veličin a provozních podmínek na stoupání

3.6.1 Hmotnost S rostoucí hmotností roste hodnota aerodynamického odporu a tím dochází ke snížení přebytku tahu využitelného pro stoupání. Z rovnice Vz =

ΔP ΔP = G mg

(20)

plyne vztah mezi hmotností a stoupací rychlostí, s rostoucí hmotností klesá stoupací rychlost pro daný přebytek tahu. To vede ke zhoršení letových výkonů ve stoupání tj. snížení stoupací rychlosti, gradientu stoupání a úhlu stoupání. Charakteristické rychlosti (Vx, VY) pro maximální strmost stoupání se budou zvyšovat s rostoucí hmotností. Z hlediska provozního je hmotnost jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňující bezpečnost letu. Z tohoto důvodu musí být před každým letem určena její maximální přípustná hodnota zajišťující bezpečné provedení letu. Přípustná hmotnost se určuje jak z minimální potřebné délky vzletu, tak z požadovaných gradientů stoupání po vzletu s ohledem na polohu letiště, teploty vzduchu a z bezpečného odstupu od překážek po vzletu.

20

VUT FSI


Přemysl Poláš

3.6.2 Konfigurace letounu Vztlakové klapky zvětšují zakřivení křídla, způsobují zvýšení součinitele vztlaku, snižují pádovou rychlost v dané konfiguraci a zkracují délku vzletu. Tím však narůstá aerodynamický odpor, kterým se délka vzletu naopak prodlužuje. Proto se musí nalézt optimální výchylka vztlakové mechanizace. Výchylky vztlakových klapek mají vliv nejen na délku rozjezdu, ale také na výkony při stoupání po vzletu-gradienty stoupání. Letoun s vysunutou mechanizací bude snižovat gradienty stoupání pro danou hmotnost letounu a dané letové podmínky (tlak, teplota). Jelikož požadavky na gradient stoupání po vzletu jsou předepsány v požadavcích na letovou způsobilost (předpisy CS-23, CS-25), pak může být maximální vzletová hmotnost limitována právě gradientem stoupání, zvláště v nestandardních atmosférických podmínkách. A tak na výše položených letištích a za vysoké teploty, mohou limitovat maximální vzletovou hmotnost právě požadavky na gradienty stoupání po vzletu před požadavky na délku rozjezdu. V takovém případě lze docílit vyšší povolené maximální vzletové hmotnosti menším vychýlením vztlakových klapek. Tyto snížené (kompromisní) výchylky klapek najdeme na základě závislosti vzletové hmotnosti na výchylce klapek pro požadavky na gradienty stoupání a požadavky na délku vzletu (obr.7). Průsečíky těchto závislostí definují rovnost vzletové hmotnosti pro oba požadavky a pod průsečíkem odečteme právě hodnotu kompromisní výchylky vzletových klapek, použitelné pro dané nestandardní podmínky pro vzlet.

Obr.7 Stanovení nejvhodnější výchylky vztlakových klapek při vzletu Maximální aerodynamický odpor nastává při letu v přistávací konfiguraci, kdy se letoun pohybuje na nejvyšších hodnotách součinitele vztlaku (maximální výchylka vztlakových klapek a vysunutého podvozku). Z tohoto důvodu k největšímu poklesu gradientů stoupáni dochází při přerušeném přistání, tedy v počáteční fázi nezdařeného připlížení (missed 21

VUT FSI


Přemysl Poláš

approach procedure). Charakteristické rychlosti pro maximální strmost s vysunutým podvozkem a klapkami budou klesat. Zároveň i rychlost letu minimálního odporu VmD . 3.6.3 Vliv změny teploty a výšky na hustotu vzduchu K poklesu hustoty dochází buď vzrůstem teploty vzduchu nebo výšky letu. Důsledkem toho je pokles výkonnosti pohonných jednotek. Z toho tedy plyne, že snížením hustoty vzduchu klesá využitelný tah(resp. výkon) a naopak roste potřebný tah (výkon). U obou případů dochází ke snížení přebytku tahu (výkonu).To negativně ovlivňuje výkony při stoupání. Klesá gradient stoupání, úhel stoupání a stoupací rychlost. Rychlost letu IAS pro maximální strmost stoupání se s výškou u proudových letounu prakticky nemění, u pístových letounu může naopak narůstat. Rychlost letu TAS roste v obou případech s výškou letu. 3.6.4 Zrychlení pří stoupání Při stoupání se letové výkony uvažují za předpokladu, že celý přebytek tahu (výkonu) je využit pro stoupání při konstantní rychlosti letu. Pokud se letoun nepohybuje při stoupání konstantní rychlosti, ale zrychluje, pak je část přebytku tahu (výkonu) využita právě na toto zrychlování. Proto bude gradient stoupání, úhel stoupání i stoupací rychlost nižší. 3.6.5 Vítr Vítr je dalším důležitým faktorem ovlivňující letové výkony a to, samozřejmě, i během stoupání. Úhel stoupání je teoreticky uvažován v klidné atmosféře, bez jejího pohybu vůči zemi. Proto se vlivem větru v reálném prostředí bude lišit. To je třeba vzít v úvahu při požadavcích na trajektorii stoupání po vzletu a na její odstup od překážek. Vektorovým sčítáním relativní rychlosti letu a unášivé složky větru dostaneme absolutní rychlost vůči zemi. Z toho vyplývá, že protivítr bude způsobovat strmější sklon dráhy letu vůči zemi, zatímco zadní vítr bude tento sklon snižovat. ¨ Vítr však neovlivňuje stoupací rychlost. 3.6.6 Znečištění povrchu letounu Jakékoliv znečištění povrchu letounu, zejména nosných ploch např. deštěm, sněhem a námrazou, může významně ovlivnit aerodynamické charakteristiky letounu a tím i letové výkony. Vytvořený přídavný odpor a snížení vztlakové síly způsobené znečištěním, mohou významně prodloužit délku vzletu, snížit gradienty stoupání po vzletu a znemožnit tak bezpečnou pilotáž letounu. Z tohoto důvodu není vůbec dovoleno zahájit vzlet s námrazou na letounu, jak vyplývá z provozních předpisů.

22

VUT FSI

4.


Přemysl Poláš

TRAJEKTORIE PO VZLETU

Všechny letouny výkonnostní kategorie A musí splňovat velmi přísné požadavky předpisu CS-25 na letové výkony v jednotlivých fázích letu. Nyní se budeme zabývat požadavky tohoto předpisu na trajektorii po vzletu. 4.1 Úsek stoupání, rozdělení do segmentů Předpis CS-25 považuje vzlet za úsek až do výšky 1500 ft (450m) nad úrovní povrchu vzletu (RWY) a klade požadavek, aby tato trajektorie byla rozdělena do segmentů. Jednotlivé segmenty musí být jasně definovány a musí se vztahovat ke zřetelným změnám v konfiguraci letounu, výkonu (nebo tahu) a rychlosti. Hmotnost, konfigurace, výkon (tah) letounu by měly být v průběhu jednotlivých segmentů konstantní a měly by být zohledněny nejkritičtější možné podmínky, které mohou nastat v jednotlivých segmentech. Tvar trajektorie po vzletu by měl být určen na základě letových výkonů bez vlivu přízemního efektu. Za takové je letadlo považováno, dosáhne-li výšky rovnající se přibližně rozpětí křídla.

Obr.8 Trajektorie po vzletu a její rozdělení do 4 segmentů Takže trajektorie po vzletu je rozdělena na 4 úseky, konec jednotlivých úseků je určen změnami v konfiguraci nebo ve výkonu motoru (tab.2). Předpokládá se, že kritický motor vysadí při rychlosti VEF a zůstane mimo provoz po zbytek vzletu.

23

VUT FSI


ÚSEK PRVNÍ DRUHÝ TŘETÍ ČTVRTÝ

Přemysl Poláš

Tab.2: Rozdělení na jednotlivé úseky. POLOHA POLOHA KLAPEK VÝKON RYCHLOST PODVOZKU MOTORU vysunut vzletová vzletový v2 zasunut vzletová vzletový v2 zasunut zavírání ze vzletové vzletový zvyšování z v2 na polohy až do polohy finální rychlost zasunuto zasunut zasunuty maximální finální rychlost v3 trvalý

Požadavky na průběh trajektorie po vzletu jsou dány: - maximální přípustnou vzletovou hmotnosti pro danou nadmořskou výšku a teplotu okolí, - výškou a odstupem od překážek po vzletu, - a v poslední době velmi přísně vyžadovaným požadavkem na snížení hluku po vzletu (ne na úkor bezpečnosti). 4.2 Minimální gradient stoupání Pro jednotlivé úseky trajektorie po vzletu jsou předpisy stanovené minimální požadované gradienty stoupání, které letoun výkonnostní třídy A musí splňovat při stoupání po vzletu s vysazenou pohonnou jednotkou. S ohledem na tyto požadavky jsou v Letové příručce stanoveny postupy pro výpočet maximální vzletové hmotnosti vztažené k nadmořské výšce letiště a teplotě okolí. Jak bylo již zmíněno, tyto požadavky mohou být za nestandardních podmínek (vysoká nadmořská výška a vysoká teplota vzduchu) určující pro stanoveni maximální vzletové hmotnosti před požadavky na minimální délku vzletu. Nejnižší takto zjištěná hmotnost představuje limitní hmotnost při vzletu. Požadavky na minimální gradienty stoupání jsou ještě závislé na počtu motorů. Konkrétní hodnoty jsou přehledně uvedeny v následující tabulce Tab. 3 Minimální požadované gradienty stoupaní v závislosti na počtu motorů. POČET MOTORŮ

2

3

4

PRVNÍ ÚSEK

γ f 0 , tzn. kladný

0,3%

0,5%

DRUHÝ ÚSEK

2,4%

2,7%

3%

TŘETÍ A ČTVRTÝ ÚSEK*

1,2%

1,5%

1,7%

∧

* Třetí úsek je horizontální. Uvedenému gradientu v tabulce odpovídá využitelné zrychlení.

24

VUT FSI


Přemysl Poláš

. 4.3 Stoupání se všemi pracujícími motory Postupy pro stoupání se všemi pracujícími motory se provádí podle kapitoly „Normální postupy“ Letové příručky, zpracované zvlášť pro každý typ letounu. Stoupání po vzletu se většinou provádí bezpečnou rychlostí vzletu V2, zvýšenou o 10 – 20 kt, v souladu s výkonnostními limity daného letounu, opět zpracované Letovou příručkou, jakými můžou být např. podélný sklon letounu nebo stoupací rychlost. Tato omezení je zpravidla potřebné dodržovat až do výšky změny konfigurace a režimu motorů nevzletové na maximální trvalý, užívaný pro další stoupání. V reálném provozu jsou všechny tyto parametry voleny s ohledem na bezpečnost a samozřejmě ekonomičnost letu, a jak již bylo zmíněno, jsou tyto parametry nemalou měrou ovlivněny (omezeny) požadavkem na snížení hlukového zatížení okolí letiště. 4.4 Postupy pro snížení hluku Současná intenzita letového provozu má velký nežádoucí vliv na životní prostředí. Velkou zátěž způsobuje hluk vyprodukovaný letadly a jejich spaliny pocházející ze spalovacích procesů v letadlových motorech. Největší hluková zátěž vzniká v blízkém okolí letišť, a to zejména při startu, kdy letadla, s motory pracujícími na maximální režim, přelétávají zastavěné plochy v blízkosti letiště ještě v relativně malé výšce (samozřejmě hluk vzniká také při přistání, kdy je využíván zpětný tah motoru). Hluk bývá v okolí letišť monitorován a při překročení limitů jsou udělovány velmi vysoké sankce. Provozní postupy pro letouny při stoupání po odletu jsou navrženy tak, aby zajistily nezbytnou bezpečnost letového provozu a zároveň snížily účinky hluku na zemi na minimum.Tyto postupy jsou poskytovány jako příklady, jelikož dosažené snížení hluku do velké míry závisí na typu letounu, typu motoru, požadovaném tahu a na výšce, ve které je tah snížen. Z tohoto důvodu se skutečné postupy, způsobující nejúčinnější snížení hluku, mohou významně lišit od jednoho typu k druhému. Jako vzor byly vytvořeny dva postupy A a B. Postup A má za následek snížení hluku v pozdější části vzletu, kdežto postup B poskytne snížení hluku v počáteční fázi vzletu, tedy oblasti přiléhající k letišti. Postup A Vzlet do výšky 1500 ft nad nadmořskou výškou letiště, který se provádí následovně: - vzletový výkon motorů, - klapky v poloze vzlet, - rychlost stoupání V2 větší o 10 až 20 kt, nebo podle omezení úhlem podélného sklonu. Ve výšce 1500 ft nad nadmořskou výškou letiště snížit výkon motorů na hodnotu požadovanou pro stoupání rychlostí V2 větší o 10 až 20 kt do výšky 3000 ft nad nadmořskou výškou letiště. Ve výšce 3000 ft nad nadmořskou výškou letiště urychlit letoun na rychlost požadovanou pro ustálené stoupání a po dosažení této rychlosti zasunout klapky.

25

VUT FSI


Přemysl Poláš

Obr.9 Postup A na snížení hluku v pozdější části vzletu Postup B Vzlet do výšky 1000 ft nad nadmořskou výšku letiště, který se provádí následovně: - vzletový výkon motorů, - klapky v poloze vzlet, - rychlost stoupání V2 větší o 10 až 20 kt. Ve výšce 1000 ft nad nadmořskou výškou letiště při udržení pozitivního stoupání urychlit letoun na minimální bezpečnou rychlost bez klapek (VZF) a při dosažení stanovené rychlosti zasunout klapky. Dále snížit tah v souladu s následujícím: - u motorů s vysokým obtokovým poměrem snížit výkon pro stoupání při středním zatažení klapek, - u motorů s nízkým obtokovým poměrem snížit výkon pro stoupání, ale ne na menší, než je nezbytný pro udržení konečného vzletového gradientu stoupání s jedním motorem mimo provoz, - u letadel s pomalým zatahováním klapek snížit výkon při středním zatažení klapek následně od výšky 1000 ft nad nadmořskou výškou letiště do výšky 3000 ft nad nadmořskou výškou letiště pokračovat ve stoupání při rychlosti ne větší než VZF větší o 10 kt. Ve výšce 3000 ft urychlit plynule letoun na rychlost pro traťové stoupání.

26

VUT FSI


Přemysl Poláš

Obr.10 Postup B na snížení hluku v počáteční fázi vzletu Při vzletových postupech pro omezení vnějšího hluku musí být dodržena následující omezení: a) minimální ustálená rychlost při stoupání nesmí být menší než V2 větší o 10 kt než rychlost předepsaná v AFM, pokud je tato větší b) nesmí být překročen maximální úhel podélného sklonu letounu c) snížení výkonu motorů se nesmí použít pokud: - letoun nedosáhl výšky minimálně 1000 ft nad úrovní letiště, - není předepsáno standardní nastavení výkonu, který je dostatečný pro letoun, aby udržoval při maximální certifikované hmotnosti ustálený gradient stoupání minimálně 4% při rychlostech odpovídajících ustanovením bodů a) a b), - dráha letu při vzletu nezajistí, a to jak při všech motorech v činnosti, tak při vysazení motoru a doby potřebné k získání plného výkonu od zbývajícího motoru(ů), přelet všech překážek pod drahou letu s požadovanou zálohou výšky. Postupy pro omezení hluku nejsou vyžadovány nad výškou 3000 ft nad úrovní letiště. 4.5 Čistá trajektorie po vzletu Předpis stanovuje takzvanou čistou trajektorii po vzletu (take-off flight path). Slouží opět k certifikaci letounu třídy A z hlediska výkonu při stoupání po vzletu, kdy hrubý gradient představuje skutečnou trajektorii po vzletu konkrétního letounu. Podle počtu motorů je tento hrubý gradient snížen o příslušnou hodnotu, čímž vznikne právě požadovaná čistá trajektorie po vzletu, která zaručuje, že letoun bezpečně mine překážky ve vertikální vzdálenosti nejméně 35 ft. Čistá trajektorie po vzletu začíná v bodě, v němž letoun dosáhl výšky 35 ft (10,7 m) nad RWY až do koncového bodu úplné trajektorie ve výšce 1500 ft (450 m). Takto

27

VUT FSI


Přemysl Poláš

je definovaná úplná trajektorie po vzletu jejichž gradient stoupání je snížen v závislosti na počtu motorů.

Obr.11 Čistý gradientu stoupání pro dvoumotorové letouny. Čistá trajektorie po vzletu je tedy závislá na počtu motorů. Postup a potřebné hodnoty pro stanovení čistého gradientu stoupání jsou uvedeny zde: Čistý gradient stoupání = Hrubý gradient – hodnota závislá na počtu motorů Hodnoty snížení hrubého gradientu: • 0,8% pro 2-motorové letouny • 0,9% pro 3-motorové letouny • 1,0% pro 4-motorové letouny. Vertikální odstup od překážek Čistá trajektorie po vzletu až po bod ve výšce 1500 ft (450 m) nad povrchem vzletu nebo po bod, ve kterém je ukončen přechod ze vzletové do cestovní konfigurace, musí převyšovat překážky o 35 ft. Pokud je na odletových tratích požadován náklon větší jak 15° k vyhnutí se překážkám, tedy i požadavkům na strmější stoupání letadel, je vyžadován vertikální odstup nejméně 50 ft. Boční odstup od překážek B Boční odstup od překážek musí být minimálně roven: • B = (90m + 0,125D), kde D je vzdálenost od použitelné délky vzletu (konce TODA) nebo • B=(60m+1/2 rozpětí křídla + 0,125D) – pro letouny s rozpětím křidel menším než 60 m. 28

VUT FSI


Přemysl Poláš

Boční odstup od překážek ale nemusí být větší než: • B = 300m při změně traťového kursu o méně jak 15°, pokud je možno udržet přesnost navigace v oblasti překážek, nebo B = 600m pro lety za všech ostatních podmínek. • B = 600m při změně traťového kursu o více jak 15°, pokud je možno udržet přesnost navigace v oblasti překážek, nebo B = 900m pro všechny ostatní lety.

Obr.12: Boční odstup od překážek pro rozpětí menší jak 90 m

Obr.13: Boční odstup od překážek pro rozpětí větší jak 60 m

4.6

Provádění zatáček na trajektorii po vzletu • Zatáčky nejsou povoleny pod hranici výšky rovnající se polorozpětí křídla nebo 50 ft, podle toho, která je větší 29

VUT FSI


•

až do výšky 400 ft, nesmí být úhel příčného sklonu větší než 15°

•

Nad výškou 400 ft, nesmí být úhel příčného sklonu větší než 25°.

Přemysl Poláš

Zatáčky se musí provádět s ohledem na jejich vliv na požadovaný gradient stoupání a rychlosti letu. Letovou příručkou je dáno snížení gradientu stoupání při provádění zatáčky s náklonem 15° při rychlosti letu V2. Pro větší úhly příčného sklonu v zatáčce je nutné zvážit další snížení gradientu a to následovně: • Při náklonu 20° dvojnásobné snížení gradientu stoupání a rychlosti V2 + 5 kt •

při náklonu 25° trojnásobné snížení gradientu stoupání a rychlosti

V2 + 10

4.7 Analýza trajektorie po vzletu Podrobné data a bližší specifikaci trajektorie po vzletu jsou uvedený v Letové příručce. Provozní příručka obsahuje zjednodušenou formu (diagram) pro rychlou analýzu trajektorie po vzletu s ohledem na podmínky letu a zajištění bezpečné výšky nad překážkami. Tento diagram uvedený v příloze č.1 pro rychlý odhad maximální vzletové hmotnosti pro případ, že klimatizace je při vzletu zapnutá. Výška překážky musí být stanovena vzhledem k nejnižšímu bodu RWY, abychom byli na bezpečné straně při uvážení sklonu RWY.

Obr. 14 Rychle určení maximální vzletové hmotnosti s ohledem na převýšení nad překážkami u Boeingu 737

30

VUT FSI


Přemysl Poláš

4.8 Průběh trajektorie po vzletu Následuje shrnutí průběhu vzletu a segmentů trajektorie po vzletu. Je to snaha o ucelení složitého výkladu požadavku předpisu na trajektorii po vzletu. A v podstatě shrnuje všechny doposud uvedená fakta, která jsou pro lepší představu doplněná o obrázky. Jde o přibližnou ilustraci vzletu, který musí absolvovat letoun požadující certifikaci dle předpisu CS-25. Přehled rychlostí: V1 - rychlost rozhodnutí: představuje mezní rychlost, při které se pilot rozhoduje zda bude pokračovat ve vzletu s jednou pohonnou jednotkou vysazenou nebo vzlet přeruší a začne intenzivně brzdit. V ideálním případě to je rychlost při vysazení kritické pohonné jednotky, při níž je délka pokračujícího vzletu s vysazeným motorem stejná jako délka přerušeného vzletu. Ve skutečnosti, při uvážení reakční doby pilota (asi 2 s) se od sebe liší. VEF – rychlost vysazení motoru: rychlost při níž se předpokládá vysazení kritické pohonné jednotky. VR – rychlost rotace: nejmenší možná lineární rychlost, při které je pilot schopen pomocí orgánu podélného řízení vyvolat klopivý moment. U letounu s příďovým podvozkem je tato rychlost nazývaná rychlost nadzvednutí příďového kola. Tím se letoun přivádí na vyšší úhel náběhu během rozjezdu. VLOF – skutečná rychlost odpoutání: je to skutečná rychlost při níž dojde k odlepení letounu od RWY. V2 – bezpečná rychlost vzletu: které musí být nejpozději dosaženo ve výšce překážky hP = 35 ft u letounu výkonnostní třídy A. Bezpečná rychlost vzletu musí splňovat určité relace vzhledem k minimální pádové rychlosti a současně vzhledem k minimální rychlosti řiditelnosti. Tyto relace závisí na druhu a počtu pohonných jednotek. V3 – finální rychlost: ustálená rychlost pro počáteční stoupání, což je většinou bezpečná rychlost vzletu V2 + přídavek. Kritická pohonná jednotka: tímto termínem označujeme ten motor, který při vysazení způsobí nejnepříznivější rušivý zatáčivý a klonivý moment. Proto vysazení této kritické pohonné jednotky ještě o něco zvyšuje nárok na pilotáž při letu s jedním vysazeným motorem. Z těchto důvodu je požadováno, aby v Letové příručce daného letounu bylo vždy uvedeno, která pohonná jednotka je považována za kritickou.

31

VUT FSI


Přemysl Poláš

Vzlet Pozemní část vzletu začíná rozjezdem, kdy je letadlo od bodu uvolnění brzd urychlováno až do rychlostí odpoutání, přičemž mine rychlost rozhodnutí V1, ve které v teoreticky ideálním případě dojde k vysazení kritické pohonné jednotky, takzvaná rychlost vysazení motoru VEF (obr.15). Kritická pohonná jednotka zůstane nefunkční po celý zbytek vzletu. Letoun tedy dále pokračuje ve vzletu. K nadzvednutí příďového kola nesmi dojít dříve než je dosaženo rychlosti rotace VR. Ke skutečnému odpoutání dojde při rychlosti odpoutání VLOF, kdy dochází ke zvyšování úhlu náběhu a přechodu do stoupání. Tato fáze se nazývá přechodový oblouk a je to nejkritičtější fáze vzletu právě kvůli značnému zvětšování úhlu náběhu. Letoun se dále urychluje na bezpečnou rychlost vzletu V2. Tato trajektorie zrychlování po vzletu by měla mít v každém bodě pozitivní sklon vůči RWY. Rychlosti V2 musí být nejpozději dosaženo ve smluvní výšce 35 ft nad RWY. Tento bod udává celkovou délku vzletu a v podstatě znamená začátek prvního segmentu trajektorie po vzletu.

Obr.15 Okamžik vysazení motoru při rychlosti VFE První segment První úsek trajektorie po vzletu tedy začíná poté co je letoun urychlen na rychlost V2 a je dosaženo smluvní výšky 35 ft nad RWY (obr.16). Letoun dále pokračuje ve stoupání touto rychlostí pří maximálním vzletovém režimu motoru a se vztlakovými klapkami v poloze pro vzlet. Podvozek je stále vysunut. Jakmile je indikována pozitivní vertikální rychlost stoupání (positive rate of climb) je iniciováno zasouvání podvozku. Jakmile je podvozek zasunut, začíná druhý segment trajektorie po vzletu. V prvním segmentu je vlivem vysunuté vztlakové 32

VUT FSI


Přemysl Poláš

mechanizace a podvozku značně omezena stoupavost letounu, proto mají požadované minimální gradienty stoupání pro tento úsek nejnižší hodnotu. V průběhu celého prvního úseku je tedy předpisy požadován minimální gradient stoupání závislý na celkovém počtu motoru letounu, pod jehož hodnoty nesmí skutečný gradient stoupání u dopravních letounů výkonnostní třídy A s vysazenou kritickou pohonnou jednotkou nikdy klesnout. Tyto hodnoty byly uvedeny v tabulce 3. A rovněž je zde požadavek, který platí jak pro první, tak pro všechny zbývající úseky trajektorie po vzletu na vertikální a boční odstup od překážek z hlediska čisté trajektorie po vzletu, jak již bylo také zmíněno.

Obr.16 Letoun vstupuje do prvního úseku trajektorie po vzletu

Druhý segment Za počátek druhého segmentu trajektorie po vzletu je považován okamžik dokončení zavírání podvozku. Kromě úplně zasunutého podvozku (obr.17) se druhý segment nějak výrazně neliší od prvního. Letoun nadále stoupá rychlosti V2 při maximálním vzletovém režimu motoru a s vysunutou mechanizaci pro vzlet nejméně do výšky 400 ft nad místem vzletu, kde letoun přechází do horizontálního letu. Což je již počátek třetího segmentu trajektorie po vzletu. Předpisu CS-25 je výslovně napsáno, že do výšky 400 ft nad RWY nesmí dojít kromě zavření podvozku k žádné změně v konfiguraci nebo režimu motoru. 33

VUT FSI


Přemysl Poláš

Minimální gradienty požadované v druhém úseku trajektorie po vzletu jsou rovněž uvedeny v tabulce 3.

Obr.17 Letoun vstupuje do druhého úseku trajektorie po vzletu

Třetí segment Třetí segment trajektorie po vzletu slouží zejména k urychlení letounů z rychlosti V2 na finální rychlost V3 pro počáteční stoupání do cestovní hladiny (obr.18). Proto je téměř veškerý přebytek tahu spotřebován na zrychlení letounu na úkor stoupání. Letoun tedy pokračuje takřka horizontálním letem (v praxi jen o něco sníženým stoupáním) maximálním vzletovým režimem motoru a je započato zasouvání vztlakových klapek. Jelikož trajektorie třetího segmentu probíhá nejméně 400 ft nad RWY, jsou již za normálních okolnosti od této výšky povoleny zatáčky po vzletu s náklonem větším než 15°. Minimální gradienty pro tento segment uvedené v tabulce 3 jsou tedy teoretické a odpovídají využitelnému zrychlení.

34

VUT FSI


Přemysl Poláš

Obr.18 Letoun urychlující se na traťové stoupání ve třetím úseku

Čtvrtý finální segment Okamžik dokončení zasouvání vztlakové mechanizace a dosažení finální rychlosti V3 je považován za začátek posledního takzvaného finálního úseku trajektorie po vzletu (obr.19). V této části je tedy podvozek a mechanizace zasunutá a režim motoru je upraven na maximálně trvalý pro rychlost počátečního stoupání V3 do cestovní hladiny. Čtvrtý úsek tedy končí po přechodu ze vzletové do takzvané čisté konfigurace nebo po dosažení výšky 1500 ft nad RWY vzletu podle toho co přijde později. Následuje stoupání do cestovní hladiny. Minimální gradienty stoupání pro finální úsek jsou opět uvedeny v tabulce 3.

35

VUT FSI


Přemysl Poláš

Obr.19 Letoun dosáhl rychlosti V3 pro počáteční stoupání na trať a vztlaková mechanizace je plně zasunuta

36

VUT FSI

5.


Přemysl Poláš

STOUPÁNÍ DO CESTOVNÍ VÝŠKY

Po trajektorii úplného vzletu následuje úsek stoupání do cestovní hladiny, kdy je již letoun urychlen na finální rychlost pro počáteční stoupání V3, režim motoru je nastaven na maximální trvalý a je převeden do cestovní konfigurace, kdy je veškerá mechanizace zasunuta. Parametry stoupání musí být určeny pro všechny hmotnosti letounu, všechny výšky a musí ležet v provozních limitech, stanovených na letounu s nejnepříznivější polohou těžiště. 5.1 Plánování stoupání Pro plánování stoupání do cestovní hladiny je nejdůležitější znát čas, vzdálenosti a spotřebu paliva pro nastoupání do cestovní výšky. V letových příručkách se pro úsporu času využívá takzvaných složených grafů, kdy lze rychle odečíst potřebný čas nastoupání dané hladiny, uletěnou vzdálenost během stoupání a spotřebu paliva. Tento graf se nazývá ,,Time, Fuel and distance to climb,, Obr. 20.

Obr. 20 Graf pro výpočet času, vzdálenosti a spotřeby paliva při stoupání do cestovní hladiny Tabulka pro získání těchto hodnot, platná pro boeing 777, je součástí přílohy (příloha 2). Postupné stoupání tento postup patří již do oblasti cestovního letu v hladině, ale protože to je v jistém smyslu také stoupáni do cestovní hladiny, tak je zde uvedeno. Dovoluje tak, jak ubývá během letu v hladině palivo postupně stoupat do optimální cestovní hladiny. Z hlediska

37

VUT FSI


Přemysl Poláš

výkonů a s tím spojenou ekonomiku letu. V grafu ,,stepped cilmb,, je zohledněno množství úbytku paliva a je platný pro určitý rozsah výškových kroků nad optimální cestovní hladinu.

Obr.21 Tabulka postupného stoupání do optimální cestovní hladiny z Letové příručky Boeingu 777 5.1.1 Provozní stoupání do cestovní výšky Běžné stoupání do cestovní výšky je obvykle prováděno vhodně stanovenou ekonomickou rychlosti (high speed climb), která je většinou vyšší než rychlost pro maximální vertikální rychlost stoupání. Pokud je limitním faktorem množství paliva, může být stoupání uskutečněno rychlostí pro nejlepší hospodaření s palivem (long range climb speed), ta se nachází někde mezi rychlosti pro nejekonomičtější stoupání a rychlosti pro maximální gradient stoupání. Rychlosti jsou rovněž voleny tak, aby byly co nejsnadněji dodrženy piloty s dostupným vybavením. I když v současné době automatických systému řízení letu je tato činnost snadnější, kdy je neustále sledována a integrována aktuální rychlost stoupání a z ní vypočítáván čas, vzdálenost, spotřeba paliva při stoupání do libovolné hladiny. Optimální letová hladina se dá nalézt z grafu v Letových příručkách, kdy je zohledněna hmotnost letounu a různé režimy letu v hladině. 5.1.2 Vztah mezi rychlostí a Machovým číslem při stoupání Doporučený postup pro stoupání se provádí obvykle při konstantní rychlosti letu IAS v malých nadmořských výškách, zatímco ve velkých výškách se stoupání provádí při konstantním Machově čísle. Je ovšem třeba vzít v úvahu fakt, že při stoupání konstantní 38

VUT FSI


Přemysl Poláš

rychlosti letu IAS bude růst skutečná rychlost letu vůči vzduchu TAS. Tím poroste i Machovo číslo. Tak vzniká nebezpečí překročení kritického Machova čísla. Jakmile je tedy dosaženo požadovaného Machova čísla, stoupání pokračuje při tomto konstantním Machově čísle. Tady si je zase třeba uvědomit, že udržování konstantního Machova čísla vede ke snižování indikované rychlosti letu IAS a současně dochází k poklesu skutečné rychlosti letu TAS. 5.2 Stoupání s jedním nepracujícím motorem Postupy pro stoupání s jedním nepracujícím motorem jsou uvedeny v Letové příručce a to v částí ,,Nouzové postupy,,. Posádka je používá zpracované ve formě takzvaných checklistů, kde jsou přesně stanoveny jednotlivé kroky pro řešení vzniklé nouzové situace. Použití těchto údajů je principiálně shodné s postupy pro běžné stoupání se všemi motory v chodu. Ovšem při stanovení bezpečné rychlosti stoupání s nepracujícím motorem je zvážen nejen vliv snížení tahu, ale také zvýšení odporu kvůli: •

mlýnkovému efektu pohyblivých částí nepracujícího motory, kdy je velké množství energie spotřebováno na roztáčení právě těchto dílu vlivem proudění vzduchu

•

odporu zapraporované vrtule

•

zvýšenému odporu směrovky a křidélek vyvolané zásahem proti účinkům nepracujícího motoru

Je třeba mít neustále na paměti, že předepsané rychlosti stoupání je třeba velmi pečlivě dodržovat, kvůli podstatně menšímu přebytku tahu (zejména u dvou motorových letounů, ztráta přibližně 50% tahu). A každá odchylka od stanovených rychlostí vede k jeho dalšímu snižování, čímž se silně ovlivňuje stoupací rychlost a tím i doby dosažení potřebných letových hladin. Dostup letounu s jedním nepracujícím motorem je výrazně snížen. Toto je rovněž zpracováno v Letové příručce. 5.3 Zlepšení výkonu při stoupání po vzletu Pokud je k dispozici dostatečně dlouhá dráha, může být zvýšen hmotnostní limit pro stoupání využitím větší délky rozjezdu, kdy je letoun urychlen na větší rychlost vzletu a tím pádem i vyšší rychlost využitelnou pro stoupání. Tímto postupem lze zvýšit gradienty stoupání po vzletu, čímž se zvýší rovněž hmotnostní limity pro stoupání a hmotnostní limity s ohledem na převýšení nad překážkami. Tento postup souvisí s postupem pro stanovení nejvhodnější výchylky vztlakových klapek, kdy je nalezena kompromisní (snížená) výchylka vztlakové mechanizace pro zlepšení gradientů stoupání po vzletu (obr.22). Toto je standardní postup uvedený v provozních postupech leteckých společností pro dopravní letouny.

39

VUT FSI


Obr.22 Zlepšení výkonu ve stoupání

40

Přemysl Poláš

VUT FSI

6.


Přemysl Poláš

ZÁVĚR

Tak jako všechny předpisy, tak i předpis CS-25 je napsán nepříliš zajímavou právnickou a špatně čitelnou formou. Na malém prostoru je vtěsnáno velké množství informací, které nejsou v mnoha případech chronologicky řazené, navíc jednotlivá fakta a definice již nejsou blíže rozebírány, jelikož se předpokládá jistá znalost této problematiky. Předpis CS-25 obsahuje certifikační standardy, které se týkají všech fází letu velkých dopravních letounů. Tato práce se však věnuje pouze požadavkům, týkajících se trajektorie po vzletu a stoupání na trať. Snahou tedy bylo rozebrat a následně sjednotit složitý výklad části předpisu a převést ho do srozumitelné podoby. Čtenář je postupně seznámen se všemi potřebnými fakty a definicemi, které by mu měly pomoci blíže pochopit jednotlivé požadavky předpisu. Vše je pokud možno doplněno názornými a vysvětlujícími obrázky a grafy, které by měly rovněž přispět ke snadnějšímu pochopení dané problematiky. Samotný předpis CS-25 zaručuje opravdu vysokou míru bezpečnosti. Svými požadavky nutí výrobce velkých dopravních letounů k výrobě velmi výkonných a spolehlivých strojů. Letoun musí projít sérií zkoušek, které ho prověří ve všech možných situacích, které mohou nastat v jednotlivých fázích letu. Získat certifikaci výkonnostní třídy A tedy není vůbec jednoduché. Jelikož letecká doprava je nerozšířenějším způsobem přepravy vůbec a milióny lidí denně po celém světě využívá jejich služeb, jsou tyto požadavky víc než oprávněné.

41

VUT FSI

7


Přemysl Poláš

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

Literatura: [1]

DANĚK, V. Výkonnost. Učební text pro teoretickou přípravu dopravních pilotů ATPL(A) dle předpisu JAR-FCL 1, pro předmět 032. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2006. 144 s. ISBN: 80-7204-446-X.

[2]

DANĚK, V., FIĽAKOVSKÝ, K. Základy letu. Učební texty pro teoretickou přípravu dopravních pilotů ATPL(A) dle předpisu JAR-FCL 1, pro předmět 081. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2006. 314 s. ISBN: 80-7204-449-4.

[3]

OXFORD, JEPPESEN. Mass&balance and performance. Učební texty pro teoretickou přípravu dopravních pilotů ATPL(A) dle předpisu JAR-FCL 1. Frankfurt: Jeppesen GmbH, 2001. 351 s. ISBN: 0-88487-285-8

[4]

OXFORD, JEPPESEN. Flight planning and monitoring. Učební texty pro teoretickou přípravu dopravních pilotů ATPL(A) dle předpisu JAR-FCL 1. Frankfurt: Jeppesen GmbH, 2001. 509 s. ISBN: 0-88487-285-8

[5]

CHLEBEK, J., DVOŘÁK. Letecký zákon a postupy ATC. Učební texty pro teoretickou přípravu dopravních pilotů ATPL(A) dle předpisu JAR-FCL 1, pro předmět 010. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2006. 484 s. ISBN: 80-7204-439-7.

[6]

FRYNTA A KOL. Plánování letu a monitorování letu. Učební texty pro teoretickou přípravu dopravních pilotů ATPL(A) dle předpisu JAR-FCL 1, pro předmět 033. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2006. 180 s. ISBN: 80-7204-501-3.

[7]

EASA (European Aviation Safety Agency). Certification Specifications For Large Aeroplanes CS-25. 2004, 541 s.

[8]

CONTINENTAL AIRLINES. Boeing 777 Airplane Flight Manual. 2002. 2129 s.

[9]

THE BOEING COMPANY. Boeing 737 Fligh Crew Operation Manual. 2007. 1738 s.

Odkazy na internetové stránky: http://adg.stanford.edu/aa241/perormance/climb.html http://easa.europa.eu

Počítačový software: Microsoft Flight Simulator X

42

VUT FSI

8


Přemysl Poláš

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ

Zkratky: CS Certificate Standards EASA Eurpean Aviation Safety Agency IAS Indicated Airspeed ICAO International Civil Aviation Organization JAA Joint Aviation Authorities JAR Joint Aviation Requirements OAT Outside Air Temperature RWY Runway TAS True Airspeed

Symboly: Osa x a - odporová osa Osa z a - vztlaková osa

CD CL F FP FV

- součinitel odporu - součinitel vztlaku - tah motoru - potřebný tah - využitelný tah

D G H hP iC

- odpor - tíhová síla letounu - geopotenciální výška letu - smluvní výška nad překážkou - počet cestujících

iM m0 PP PV

- počet motorů - maximální vzletová hmotnost

RA S r V α

- výsledná aerodynamická síla draku - vztažná plocha křídla - vektor rychlosti - úhel náběhu letounu

γ

- sklon dráhy letu

∧

γ ϕF ρ

- potřebný výkon - využitelný výkon

- gradient stoupání - úhel nastavení tahu - hustota vzduchu

43

certifikační standardy Evropská agentura pro bezpečnost letectví indikovaná vzdušná rychlost

teplota okolního, vnějšího vzduchu vzletová a přistávací dráha pravá vzdušná rychlost

VUT FSI


Rychlosti:

V1 V2 V2 min V3 VEF VLOF VMCA VMCG VMU VR VS 1 VmD VX VY VZF

- rychlost rozhodnutí - bezpečná rychlost vzletu - minimální bezpečná rychlost vzletu - ustálená rychlost počátečního stoupání se všemi motory - rychlost vysazení motoru - skutečná rychlost odpoutání letounu od vzletové dráhy - minimální rychlost řiditelnosti při stoupání při vzletu - minimální rychlost řiditelnosti na zemi nebo v blízkosti země - nejmenší možná rychlost odpoutání letounu od RWY - rychlost rotace - pádová rychlost ve vzletové konfiguraci - rychlost minimálního odporu - rychlost pro nejlepší úhel stoupání - rychlost pro nejlepší stoupavost - minimální bezpečná rychlost bez klapek

44

Přemysl Poláš

VUT FSI


PŘÍLOHY

45

Přemysl Poláš

VUT FSI


Přemysl Poláš

Příloha 1 Rychlé určení maximální vzletové hmotnosti s ohledem na převýšeni nad překážkami. 46

VUT FSI


Přemysl Poláš

Příloha 2 Tabulka pro výpočet času, vzdálenosti a spotřeby paliva při stoupání do cestovní hladiny z Letové příručky Boeingu 777

47

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ ROZBOR POŽADAVKŮ PŘEDPISU CS-25 NA STOUPÁNÍ PO VZLETU A NA TRAŤ

Recommend Documents